DE102006043136A1

DE102006043136A1 - Piezo actuator for use in piezo injector, has inner electrodes with conducting layer engaging part of cross sectional surface of piezo element, another conducting layer covering surface areas of former layer that is not facing electrodes

Info

Publication number: DE102006043136A1
Application number: DE102006043136A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Holger Rapp; Thomas Pauer; Friedrich Boecking; Christian Kuhnert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

The actuator has multiple piezo elements (50) stacked one above the other, and an inner electrode (51) and another inner electrode provided between piezo piles, with polarities changing in layer structure. Outer electrodes (60, 61) are arranged at two opposing side surfaces, where the inner electrodes are supplied with electric charge over the outer electrodes. The inner electrodes have a conducting layer (53) engaging a part of cross sectional surface of the element, another conducting layer (55), covering surface areas of the layer (53) that is not facing the opposite inner electrodes.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, bestehend aus übereinander gestapelten Piezoelementen, die aus jeweils mit Innenelektroden eingefasste Piezolagen gebildet sind, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The The invention relates to a piezoelectric actuator consisting of one above the other stacked piezoelectric elements, each consisting of internal electrodes enclosed piezoelectric layers are formed, according to the generic features of Main claim.

Ein solcher Piezoaktor kann beispielsweise in einem Piezoinjektor zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Dieser Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und dem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktor mit dem Piezoelement.One Such piezoelectric actuator can, for example, in a piezo injector for Timing and quantity precise metering of fuel in an internal combustion engine be used. This piezo injector essentially consists from a holding body and in the holding body arranged piezoelectric actuator with the piezoelectric element.

Es ist an sich bekannt, dass der Piezoaktor so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoalgen der Piezoelemente sind aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielswei se für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.It is known per se that the piezoelectric actuator can be used in this way that taking advantage of the so-called piezo effect, a control the needle stroke of a valve or the like can be made can. The piezoelectric algae of the piezoelectric elements are made of a material with a suitable crystal structure designed so that when plant an external electrical Voltage a mechanical reaction of the piezo elements takes place, the dependent on from the crystal structure and the plant areas of the electric Stress represents a pressure or train in a predeterminable direction. Such piezo actuators are for example se for applications, in which strokes under high operating forces and high clock frequencies expire.

Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors in so genannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der DE 10026005 A1 bekannt. Bei diesem Piezoaktor ist ebenfalls ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente vorhanden, die über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten sind. Jede piezokeramische Piezolage der Piezoelemente ist auch hier zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die Piezoelemente dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.For example, such a piezoelectric actuator as part of a piezo injector in so-called common rail injection systems (CR injector) from the DE 10026005 A1 known. In this piezoelectric actuator is also a stack of several electrically and mechanically coupled to each other piezo elements present, which are held on an actuator base and an actuator head under bias between two stops. Each piezoceramic piezoelectric layer of the piezoelectric elements is also enclosed here between two internal electrodes, via which an electrical voltage can be applied from the outside. Because of this electrical voltage, the piezoelectric elements then each carry out small strokes in the direction of the potential gradient, which add up to the total stroke of the piezoelectric actuator. This total stroke is variable by the amount of voltage applied and can be transferred to a mechanical actuator.

Bei dem zuvor erwähnten Piezoaktor wird zur Heranführung der unterschiedlichen Potenziale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung der Innenelektroden über äußere Elektroden vorgenommen, bei der leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoaktors angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind.at the aforementioned Piezo actuator becomes pre-lead the different potentials a mutual lateral contact the internal electrodes via external electrodes made, at the conductive surfaces on each side surface the piezoelectric actuator are mounted, which with the respective internal electrodes are contacted.

Um einen Kurzschluss zwischen den Außenelektroden zu vermeiden, dürfen die Innenelektroden nicht die komplette Querschnittsfläche des Piezoelements einnehmen oder überdecken, sondern müssen von der Außenelektrode der jeweils entgegengesetzten Polarität einen gewissen Abstand einhalten. Dabei hängt die Form der auszusparenden Fläche davon ab, welche Bereiche des Umfangs des Piezoaktors von den Außenelektroden überdeckt sind.Around to avoid a short circuit between the external electrodes allowed to the internal electrodes do not have the complete cross sectional area of the Occupy or cover piezo element, but have to from the outer electrode keep the opposite polarity a certain distance. It hangs the shape of the area to be spared from which areas of the circumference of the piezoelectric actuator covered by the outer electrodes are.

Aufgrund der Geometrie der Innenelektroden bildet sich auf dem Großteil der Querschnittsfläche der Piezoelemente ein nahezu homogenes elektrisches Feld aus. In der Folge ist auch die Dehnung durch den Piezoeffekt nahezu homogen. Eine Ausnahme bilden allerdings jene Randbereiche des Querschnitts, in denen die Innenelektroden jeweils einer Polarität fehlen. Dort ist die elektri sche Feldstärke und infolgedessen auch die piezoelektrische Dehnung wesentlich geringer, als auf dem Großteil der Querschnittsfläche. Da die Längenausdehnung des Piezoelements aber hauptsächlich durch die Dehnung im Bereich des homogenen Felds bestimmt wird, kommt es bei der Polarisierung und beim Betrieb der Piezoelemente in den Randbereichen, in denen die Innenelektroden ausgespart sind, zu so genannten Polungsrissen.by virtue of The geometry of the internal electrodes forms on the majority of Cross sectional area the piezoelectric elements from a nearly homogeneous electric field. In As a result, the elongation due to the piezoelectric effect is also almost homogeneous. An exception, however, are those edge regions of the cross section, in which the internal electrodes are missing one polarity each. There is the electric field strength and as a result, the piezoelectric strain is much lower, than on the bulk the cross-sectional area. Because the length expansion but the piezoelectric element mainly determined by the strain in the area of the homogeneous field, it comes with the polarization and the operation of the piezo elements in the peripheral areas in which the internal electrodes are recessed, to so-called polarization cracks.

Diese Polungsrisse verlaufen üblicherweise entlang der Trennschicht zwischen zwei durch die erwähnten Keramikschichten gebildeten Piezolagen. Verläuft ein Polungsriss entlang einer Trennschicht im ausgesparten Bereich einer Innenelektrode, so hat dies keine wesentliche Auswirkung auf die Ausbildung des elektrischen Feldes in der benachbarten Keramikschicht bzw. der Piezolage. Es besteht lediglich die Gefahr, dass in den Polungsriss Fremdstoffe eindringen, die auf längere Sicht einen Kurzschluss zwischen dem am Ausgang des Polungsrisses befindlichen Ende der Innenelektrode und der benachbarten Außenelektrode verursachen.These Poling cracks usually run along the separation layer between two through the mentioned ceramic layers formed piezo layers. runs a Polungsriss along a release layer in the recessed area an inner electrode, so this has no significant effect the formation of the electric field in the adjacent ceramic layer or the piezo layer. There is only the danger that in the Poling crack foreign substances penetrate, which in the long run a short circuit between the end of the polarity crack located at the output of the Cause internal electrode and the adjacent outer electrode.

Anders gelagert ist der Fall, wenn der Polungsriss entlang einer Innenelektrode verläuft. In diesem Fall muss das elektrische Feld zwischen der an der Oberfläche des Polungsrisses befindlichen Innenelektrode und dem zurückgezogenen Ende der benachbarten, entgegengesetzt gepolten Innenelektrode zusätzlich zur Keramikschicht einer Piezolage auch den Polungsriss überbrücken.Different stored is the case when the poling crack along an inner electrode runs. In this case, the electric field between the at the surface of the Polungsrisses located inner electrode and the retracted End of adjacent, oppositely poled inner electrode in addition to Ceramic layer of a piezo layer also bridge the poling crack.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus, wobei die Nachteile des Standes der Technik bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement der eingangs genannten Gattung dadurch vermieden werden, dass die jeweilige Innenelektrode eine erste, die jeweils wirksame Querschnittsfläche des Piezoelements einnehmende Schicht, sowie mindestens eine mindestens diejenigen Flächenbereiche der ersten Schicht, denen keine entgegengesetzte Innenelektrode gegenüberliegt und sich damit Polungsrisse ausbilden können, überdeckende zweite Schicht umfasst.The Invention is based on a piezoelectric actuator described in the introduction, the disadvantages of the prior art in a piezoelectric element according to the invention the genus mentioned are avoided by the respective inner electrode a first, the respective effective cross-sectional area of Piezoelements occupying layer, as well as at least one at least those surface areas the first layer, which has no opposite inner electrode opposite and so that poling cracks can form, covering the second layer includes.

Somit umfasst die Innenelektrode mindestens in jenen von der Innenelektrode überdeckten Flächenbereichen, in denen sich Polungsrisse ausbilden können, mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten. Der von der ersten Schicht eingenommene Teil der Querschnittsfläche des jeweiligen Piezoelements ist dabei vorzugsweise nahezu die gesamte Querschnittsfläche, abzüglich einer Aussparung zur Außenelektrode der jeweils entgegengesetzten Polarität.Consequently includes the inner electrode at least in those covered by the inner electrode Surface areas, in which poling cracks can form, at least two electrically conductive layers. The part occupied by the first layer the cross-sectional area of the respective piezoelectric element is preferably almost the entire Cross sectional area, less a recess to the outer electrode of the opposite polarity.

Da die zweite Schicht in vorteilhafter Weise mindestens etwas mehr als nur den Bereich des Polungsrisses überdeckt, bleibt der elektrische Kontakt zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten immer bestehen, sodass sichergestellt ist, dass ein auftretender Polungsriss auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht gleichen elektrischen Potenzials ausgekleidet ist.There the second layer advantageously at least a little more when only the area of the poling crack covers, the electric remains Contact between the two electrically conductive layers always insure that an occurring poling crack same on both sides with an electrically conductive layer electric potential is lined.

Kommt es bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement zu einem Polungsriss, so reißt die Innenelektrode zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten der ersten und der zweiten Schicht, da diese typischerweise schlechter aneinander haften, als jede der Schichten an der jeweils benachbarten Piezolage.comes it in a piezoelectric element according to the invention to a Polungsriss, so tears the inner electrode between the two electrically conductive layers the first and second layers, as these typically get worse adhere to each other than each of the layers adjacent to each other Piezoelectric layer.

Das erfindungsgemäße Piezoelement weist gegenüber dem Stand der Technik somit den Vorteil auf, dass durch die in einigen Bereichen mindestens zweischichtig aufgebaute Innenelektrode bei einem auftretenden Polungsriss dieser dann auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht ausgekleidet ist, wobei die beiden Schichten elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind, und somit dasselbe elektrische Potenzial aufweisen. Im Polungsriss wird sich nun bei den erfindungsgemäßen Piezoelementen kein elektrisches Feld mehr ausbilden und das elektrische Feld in der Piezokeramik der zum Polungsriss benachbarten Piezolage bleibt vom Polungsriss nahezu unbeeinflusst. Somit wird ein Versagen eines mit den erfindungsgemäßen Piezoelementen ausgestatteten Piezoinjektors bei auftretenden Polungsrissen wirkungsvoll verhindert.The Piezo element according to the invention points opposite The prior art thus has the advantage that by the in some At least two layers constructed inner electrode at an occurring poling crack this then on both sides with an electrically conductive layer is lined, wherein the two Layers are electrically shorted together, and thus have the same electrical potential. In Polungsriss will be now in the piezoelectric elements according to the invention no longer form an electric field and the electric field in the piezoceramic remains the piezoelectric layer adjacent to the poling crack almost unaffected by the poling crack. Thus, a failure of a with the piezoelectric elements according to the invention equipped Piezoinjektors occurring poling cracks effectively prevented.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Schicht eine herkömmliche Innenelektrode aus einem üblicherweise für herkömmliche Innenelektroden verwendeten Material und mit einer für herkömmliche Innenelektroden verwendeten Geometrie umfasst, auf die in denjenigen Flächenbereichen, in denen sich Polungsrisse ausbilden können, die zweite Schicht aufgebracht ist und das Material der zweiten Schicht ein anderes ist, als das für die erste Schicht verwendete Material. Das Material der zweiten Schicht ist dabei vorzugsweise so zu wählen, dass sich beim Sintern des Piezoaktors deren Haftung an der Piezokeramik der jeweiligen Piezolage stärker ausbildet, als die Haftung an der ursprünglichen Innenelektrode. Hierbei kann der unterhalb einer Außenelektrode liegende Bereich der zweiten Schicht auch ausgespart sein.According to one advantageous embodiment of the invention it is provided that the first layer a conventional one Internal electrode of one usually for conventional Internal electrodes used material and with one for conventional Internal electrodes used geometry, which in the surface areas, in which poling cracks can form, the second layer applied is and the material of the second layer is different than that for the first layer used material. The material of the second layer is preferable to choose that during sintering of the piezoelectric actuator whose adhesion to the piezoceramic the respective piezoelectric layer stronger forms, as the adhesion to the original inner electrode. in this connection can be below an outer electrode lying region of the second layer also be recessed.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf denjenigen Flächenbereichen der ersten Schicht, die nicht von der zweiten Schicht überdeckt sind, eine zusätzliche Schicht gleicher Dicke, wie die zweite Schicht angeordnet ist. Hierdurch wird eine einheitliche Dicke der Innenelektrode erreicht. Dadurch werden Eigenspannungen vermieden, die ansonsten beim Sintern aufgrund der inhomogenen Dicke der Innenelektrode auftreten würden. Dabei ist denkbar, dass die zusätzliche Schicht aus demselben Material, wie die erste Schicht besteht.A Particularly advantageous embodiment of the invention provides that on those surface areas the first layer that is not covered by the second layer are, an additional Layer of the same thickness as the second layer is arranged. hereby a uniform thickness of the inner electrode is achieved. Thereby residual stresses are avoided, otherwise due to sintering the inhomogeneous thickness of the inner electrode would occur. there it is conceivable that the additional Layer of the same material as the first layer.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch leitenden Schichten als Metallschichten ausgeführt. So ist beispielsweise denkbar, dass die erste, den überwiegenden Teil der Querschnittsfläche der Piezoelemente überdeckende und somit die eigentliche Innenelektrode bildende Schicht aus Ag-Pd und die zweite Schicht aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung besteht.According to one Another advantageous embodiment of the invention, the electrical conductive layers are designed as metal layers. Such is for example conceivable that the first, the vast Part of the cross-sectional area covering the piezo elements and thus the actual inner electrode forming layer of Ag-Pd and the second layer of platinum or a platinum-containing alloy consists.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.The Invention will be explained below with reference to the drawings.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors mit einem Piezoelement nach dem Stand der Technik im Längsschnitt, 1 a schematic representation of a piezoelectric actuator with a piezoelectric element according to the prior art in longitudinal section,

2a und 2b eine schematische Darstellung des Piezoelements aus der 1 im Querschnitt auf der Höhe einer positiven (2a)) und einer negativen (2b) Innenelektrode, 2a and 2 B a schematic representation of the piezoelectric element of the 1 in cross-section at the level of a positive ( 2a )) and a negative ( 2 B ) Inner electrode,

3a und 3b jeweils eine schematische Darstellung zweier Längsschnitte durch einen oberflächennahen Bereich der Piezoelemente mit einem Polungsriss entlang einer bis zur Oberfläche reichenden Innenelektrode (3a) und mit einem vom Ende einer unterhalb der Oberfläche endenden Innenelektrode ausgehenden Polungsriss (3b), 3a and 3b in each case a schematic representation of two longitudinal sections through a near-surface region of the piezoelectric elements with a poling crack along an inner electrode reaching to the surface ( 3a ) and with a from the end of an ending below the surface inner electrode poling crack ( 3b )

4 eine theoretische Darstellung der Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen zwei Innenelektroden, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt, bei homogener Füllung des Zwischenraums zwischen den Innenelektroden und mit einem durch einen Polungsriss gebildeten Luftspalt, 4 a theoretical representation of the formation of an electric field between two internal electrodes, between which an electrical voltage is applied, with homogeneous filling of the gap between the internal electrodes and with an air gap formed by a poling crack,

5a und 5b jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Piezoelement mit einer Innenelektrode aus zwei Schichten, in der zweiten Schicht im Bereich der Außenelektrode mit Aussparungen (5a) und ohne solche Aussparungen (6b) und 5a and 5b in each case a schematic representation of a cross section through a piezoelectric element according to the invention with an inner electrode of two layers, in the second layer in the region of the outer electrode with recesses (FIG. 5a ) and without such recesses ( 6b ) and

6 eine schematische Darstellung der Ausbildung des elektrischen Felds bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement mit aufgetretenem Polungsriss. 6 a schematic representation of the formation of the electric field in a piezoelectric element according to the invention with occurred Polungsriss.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist zur Erläuterung des technischen Hintergrundes der Erfindung eine herkömmliche an sich bekannte Anordnung 1 mit einem Piezoaktor 2 gezeigt, die beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ein Stapel aus Piezoelementen 3 ist Bestandteil des Piezoaktors 2, der weiterhin noch einen Aktorfuß 4 und einen Aktorkopf 5, zum Beispiel aus Stahl, aufweist. Es sind elektrische Zuleitungen 6 und 7 durch den Aktorfuß 4 geführt, die über Außenelektroden 6a und 7a jeweils an Innenelektroden 8 und 9 zwischen Piezolagen der Piezoelemente 3 kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktors 2 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innenelektroden 8 und 9 kann eine hier senkrecht unterhalb des Aktorkopfes 5 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann.In 1 is to explain the technical background of the invention, a conventional per se known arrangement 1 with a piezoelectric actuator 2 shown, which can be used for example for Nadelhubsteuerung in the injection system for fuel in an internal combustion engine. A stack of piezo elements 3 is part of the piezo actuator 2 who still has an actor foot 4 and an actuator head 5 , for example, made of steel. They are electrical leads 6 and 7 through the actuator foot 4 led, which has external electrodes 6a and 7a each on internal electrodes 8th and 9 between piezo layers of the piezo elements 3 are contacted. Upon actuation of the piezo actuator 2 by a voltage applied to the internal electrodes 8th and 9 can one here vertically below the actuator head 5 located mechanical arrangement are actuated such that a release of a nozzle opening of the injection system can take place here.

Die Anordnung 1 mit dem Piezoaktor 2 ist in einem hier nicht gezeigten Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers an der Anordnung 1 vorbeigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden. Weiterhin ist eine Isolationsschicht 10 vorhanden, die wiederum mit einer Hülse 11 und einer Membran 12 verschlossen ist.The order 1 with the piezoelectric actuator 2 is installed in an injector body, not shown here, wherein the fuel through the interior of the injector body to the assembly 1 is passed. This fuel can then be injected for example in a so-called common rail system under the rail pressure mentioned in the introduction or another predetermined pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here. Furthermore, an insulation layer 10 present, in turn, with a sleeve 11 and a membrane 12 is closed.

Die Innenelektroden 8 und 9 nach der 1 sind im Prinzip in 2a und 2b im Querschnitt auf Höhe einer positiven (2a) Innenelektrode 8 und einer negativen (2b) Innenelektrode 9 gezeigt. Um einen Kurzschluss zwischen den Außenelektroden 6a und 7b zu vermeiden, dürfen die Innenelektroden 8 und 9 nicht die komplette Querschnittsfläche der Piezoelemente 3 einnehmen oder überdecken, sondern müssen von der Außenelektrode 6a oder 7a der jeweils entgegengesetzten Polarität einen gewissen Abstand mit Randbereichen 20 und 21 einhalten. Dabei hängt die Form der auszusparenden Fläche davon ab, welche Bereiche des Um fangs der Piezoelemente 3 von den Außenelektroden 6a oder 7a überdeckt sind. Die in den 2a und 2b dargestellten Geometrien stellen lediglich ein in der Praxis verwendetes Beispiel dar.The internal electrodes 8th and 9 after 1 are in principle in 2a and 2 B in cross-section at the level of a positive ( 2a ) Inner electrode 8th and a negative ( 2 B ) Inner electrode 9 shown. To make a short circuit between the outer electrodes 6a and 7b To avoid, the inner electrodes may 8th and 9 not the complete cross-sectional area of the piezo elements 3 take or cover, but must from the outer electrode 6a or 7a the respective opposite polarity a certain distance with edge regions 20 and 21 comply. In this case, the shape of the surface to be removed depends on which areas of the order of the piezoelectric elements 3 from the outer electrodes 6a or 7a are covered. The in the 2a and 2 B shown geometries represent only an example used in practice.

Aufgrund der Geometrie der Innenelektroden 8 und 9 bildet sich auf dem Großteil der Querschnittsfläche der Piezoelemente 3 ein nahezu homogenes elektrisches Feld aus. In der Folge ist auch die Dehnung durch den Piezoeffekt nahezu homogen. Eine Ausnahme bilden allerdings jene Randbereiche des Querschnitts, in denen die Innenelektroden 8 und 9 jeweils einer Polarität fehlen. Dort ist die elektrische Feldstärke und infolgedessen auch die piezoelektrische Dehnung wesentlich geringer, als auf dem Großteil der Querschnittsfläche. Da die Längenausdehnung der Piezoelemente 3 aber hauptsächlich durch die Dehnung im Bereich des homogenen Felds bestimmt wird, kommt es bei der Polarisierung und beim Betrieb des Piezoaktors 2 in den Randbereichen 20 und 21, in denen die Innenelektroden 8 und 9 ausgespart sind, zu so genannten Polungsrissen.Due to the geometry of the internal electrodes 8th and 9 forms on the majority of the cross-sectional area of the piezo elements 3 a nearly homogeneous electric field. As a result, the elongation due to the piezoelectric effect is also almost homogeneous. An exception, however, are those edge regions of the cross section in which the internal electrodes 8th and 9 each one polarity missing. There is the electric field strength and, as a result, the piezoelectric strain is also much lower than on most of the cross-sectional area. As the length expansion of the piezo elements 3 but mainly determined by the strain in the region of the homogeneous field, it comes in the polarization and operation of the piezoelectric actuator 2 in the border areas 20 and 21 in which the internal electrodes 8th and 9 are omitted, to so-called polarization cracks.

In 3a und 3b sind solche Polungsrisse 31 und 32 anhand einer vergrößerten Darstellung von seitlichen Bereichen der Piezoelemente 3 schematisch dargestellt. Die Polungsrisse 31 und 32 verlaufen üblicherweise entlang einer Trennlinie zwischen zwei durch Innenelektroden 8 und 9 eingefassten Piezolagen.In 3a and 3b are such poling cracks 31 and 32 based on an enlarged view of lateral areas of the piezo elements 3 shown schematically. The polarity cracks 31 and 32 usually run along a dividing line between two by internal electrodes 8th and 9 enclosed piezo layers.

Verläuft der Polungsriss 32 im ausgesparten Bereich der Innenelektrode 8, wie in der 3b dargestellt, so hat dies keine wesentliche Auswirkung auf die Ausbildung des elektrischen Feldes in der jeweils benachbarten Piezolage. Es besteht lediglich die Gefahr, dass in den Polungsriss 32 Fremdstoffe eindringen, die auf längere Sicht einen Kurzschluss zwischen dem am Ausgang des Polungsrisses 32 befindlichen Ende der Innenelektrode 8 und der benachbarten Außenelektrode 7a verursachen.Does the Polungsriss 32 in the recessed area of the inner electrode 8th , like in the 3b shown, this has no significant effect on the formation of the electric field in the respective adjacent piezoelectric layer. There is only the danger that in the polungsriss 32 Foreign substances penetrate, which in the long run a short circuit between the at the output of the polungsrisses 32 located end of the inner electrode 8th and the adjacent outer electrode 7a cause.

Wenn der Polungsriss 31 jedoch, wie in der 3a dargestellt, entlang der hier außen kontaktierten Innenelektrode 9 verläuft, muss das elektrische Feld zwischen der an der Oberfläche des Polungsrisses 31 befindlichen Innenelektrode 9 und dem zurückgezogenen Ende der benachbarten, entgegengesetzt gepolten Innen elektrode 8 zusätzlich zur Piezolage auch den Polungsriss 31 überbrücken.If the polish crack 31 however, as in the 3a represented along the inner electrode contacted here outside 9 passes, the electric field between the on the surface of the poling crack 31 located inside electrode 9 and the retracted end of the adjacent, oppositely poled inner electrode 8th in addition to the piezo layer also the polarity crack 31 bridged.

Welche Auswirkungen dies auf das elektrische Feld hat, lässt sich anhand der folgenden Erläuterungen darlegen, bei denen davon ausgegangen wird, dass sich zunächst zwei Innenelektroden 8 und 9 mit einem Abstand d gegenüberliegen, wobei der Randbereich 20 homogen mit Piezokeramik ausgefüllt ist. Wenn die Anordnung in ihrer Fläche unendlich weit ausgedehnt ist, weist die Piezokeramik der Piezolagen folgende Dielektrizitätskonstante auf: εK = εrK·ε0 (1)auf. Dabei ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums mit

und ε_rK die relative Dielektrizitätskonstante der Piezokeramik der Piezolagen. Bei typischen Piezokeramikwerkstoffen liegt ε_rK bei Werten zwischen 2000 und 3000. Wird zwischen den beiden Innenelektroden 8 und 9 eine Spannung U angelegt, so bildet sich zwischen ihnen ein homogenes elektrisches Feld aus. Da die Spannung U_AB zwischen zwei Punkten A, B gemäß der Formel

berechnet wird, und das Feld homogen ist, ergibt sich die elektrische Feldstärke zu

The effects this has on the electric field can be explained by the following explanations, which assume that initially two internal electrodes 8th and 9 with a distance d opposite, with the edge region 20 is filled homogeneously with piezoceramic. If the arrangement is infinitely extended in its area, the piezoceramic of the piezo layers has the following dielectric constant: ε K = ε rK · ε 0 (1) on. Here, ε _{0 is} the dielectric constant of the vacuum with

and ε _rK the relative dielectric constant of the piezoceramic of the piezoelectric layers. For typical piezoceramic materials ε _rK is between 2000 and 3000. Is between the two internal electrodes 8th and 9 When a voltage U is applied, a homogeneous electric field is formed between them. Since the voltage U _AB between two points A, B according to the formula

is calculated, and the field is homogeneous, the electric field strength results

Für diese Feldstärke sind die Piezoelemente 3 und ihre Isolation auch ausgelegt.For this field strength are the piezo elements 3 and their isolation also designed.

Wenn nun aber nicht der komplette Randbereich 20 zwischen den Innenelektroden 8 und 9 mit Piezokeramik ausgefüllt ist, sondern es befindet sich oberhalb der Innenelektrode 9 zunächst ein mit Luft gefüllter Polungsriss 31 der Höhe d_R, dann weist die Luft im Polungsriss 31 eine Dielektrizitätskonstante auf, die näherungsweise gleich ε₀ ist. Der verbleibende Abstand ist mit Piezokeramik gefüllt. Wird nun wieder eine Spannung U zwischen den beiden Innenelektroden 8 und 9 angelegt, so bildet sich wiederum ein elektrisches Feld zwischen diesen Innenelektroden 8 und 9 aus, welches ausschließlich eine Komponente senkrecht zu den von den Innenelektroden 8 und 9 gebildeten Ebenen aufweist. Allerdings unterscheiden sich nun die Feldstärken im Luftspalt des Polungsrisses 31 und in der Piezokeramik erheblich. Ursache hierfür ist die durch das elektrische Feld verursachte dielektrische Verschiebung D. Diese ergibt sich aus der elektrischen Feldstärke gemäß der Gleichung

But if not the complete border area 20 between the internal electrodes 8th and 9 filled with piezoceramic, but it is located above the inner electrode 9 first a polungsriss filled with air 31 the height d _R , then points the air in Polungsriss 31 a dielectric constant which is approximately equal to ε ₀ . The remaining distance is filled with piezoceramic. Now again a voltage U between the two internal electrodes 8th and 9 applied, then again forms an electric field between these internal electrodes 8th and 9 consisting of only one component perpendicular to that of the internal electrodes 8th and 9 has formed levels. However, the field strengths in the air gap of the poling crack now differ 31 and in the piezoceramic considerably. The reason for this is the dielectric shift D caused by the electric field. This results from the electric field strength according to the equation

Dies bedeutet, dass im Luftspalt (Polungsriss 31) die elektrische Verschiebung

vorherrscht und in der Piezokeramik die dielektrische Verschiebung

This means that in the air gap (Polungsriss 31 ) the electrical displacement

prevails and in the piezoceramic the dielectric displacement

Dabei handelt es sich hier um eine vereinfachte Darstellung, welche Permanentpolarisationseffekte und Anisotropien der Piezokeramik außer Acht lässt. Diese Vereinfachung ist aber zur grundsätzlichen Herleitung des Feldverlaufs zulässig und führt zu keiner wesentlichen Änderung des Ergebnisses. Befinden sich keine elektrischen Raumladungen ρ zwischen den beiden Innenelektroden 8 und 9, wovon üblicherweise auszugehen ist, so folgt aus der Maxwellschen Gleichung

sowie

This is a simplified representation ignoring the effects of permanent polarization and anisotropy of the piezoceramic. However, this simplification is permissible for the fundamental derivation of the field profile and does not lead to a significant change in the result. Are there no electrical space charges ρ between the two internal electrodes 8th and 9 , which is usually assumed, follows from Maxwell's equation

such as

Für die Beträge der elektrischen Feldstärken im Luftspalt muss damit aber gelten

For the amounts of electric field strengths in the air gap must apply but so

Die elektrische Feldstärke im Luftspalt des Polungsrisses 31 ist also auf jeden Fall erheblich höher, als jene in der Piezokeramik der Piezolage.The electric field strength in the air gap of the polarity crack 31 In any case, it is considerably higher than that in the piezoceramic of the piezoelectric layer.

Da nach wie vor die Gleichung

gilt, ergibt sich bei Anlegen einer Spannung U zwischen den benachbarten Innenelektroden 8 und 9

As before, the equation

applies, arises when applying a voltage U between the adjacent internal electrodes 8th and 9

Daraus folgt für die Feldstärke im Luftspalt

und für die Feldstärke in der Piezokeramik

It follows for the field strength in the air gap

and for the field strength in the piezoceramic

Ist die Höhe d_R des Luftspalts deutlich kleiner als der Gesamtabstand d zwischen den Innenelektroden 8 und 9, so ist die Feldstärke in diesem Luftspalt folglich deutlich größer als der Wert U/d, welchen die Feldstärke bei homogener Ausbildung des Dielektrikums annimmt. Ist zudem die Höhe d_R des Luftspalts auch deutlich kleiner als der Wert d_K/ε_rK, so ist in der Keramik die Feldstärke ferner deutlich geringer, als der Wert U/d.Is the height d _{R of} the air gap significantly smaller than the total distance d between the internal electrodes 8th and 9 Thus, the field strength in this air gap is thus significantly greater than the value U / d, which assumes the field strength with homogeneous formation of the dielectric. In addition, if the height d _{R of} the air gap is also significantly smaller than the value d _K / ε _rK , the field strength in the ceramic is also significantly lower than the value U / d.

In 4 ist qualitativ dargestellt, wie sich das elektrische Feld in einem Polungsriss 31 entsprechend der 3a ausbildet, sobald eine Spannung U zwischen den Innenelektroden 8 und 9 eines Piezoelements 3 angelegt wird. Im Polungsriss 1 herrscht aufgrund der vorher veranschaulichten Effekte eine erheblich höhere Feldstärke, als die Feldstärke U/d, für die das Piezoelement und seine Isolation ausgelegt wurden.In 4 is qualitatively represented as the electric field in a poling crack 31 according to the 3a forms as soon as a voltage U between the internal electrodes 8th and 9 a piezoelectric element 3 is created. In polish crack 1 Due to the previously illustrated effects, there is a considerably higher field strength than the field strength U / d for which the piezoelement and its insulation were designed.

In der Folge kann es zu Teilentladungen über den Luftspalt (Polungsriss 31) hinweg und zum Aufbau einer Flächenladung auf der dem Polungsriss 31 zugewandten Oberfläche der Piezokeramik kommen. Diese Teilentladungen bewirken eine fortschreitende Zerstörung der Piezokeramik zwischen dem Polungsriss 31 und der in der Piezokeramik verborgenen, entgegengesetzt gepolten Innenelektrode 8, was bis zum Durchschlagen zwischen den beiden benachbarten Innenelektroden 8 und 9 führen kann. Die Folge ist ein Ausfall des Piezoelements 3 und damit ein Ausfall des eingangs beschriebenen Piezoinjektors.As a result, there may be partial discharges through the air gap (poling crack 31 ) and to build a surface charge on the polungsriss 31 come facing surface of the piezoceramic. These partial discharges cause a progressive destruction of the piezoceramic between the poling crack 31 and the oppositely poled inner electrode hidden in the piezoceramic 8th What's up to the penetration between the two adjacent internal electrodes 8th and 9 can lead. The result is a failure of the piezoelectric element 3 and thus a failure of the piezo injector described above.

Bei einer in 5a und 5b sowie im Detail in 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung eines Piezoelements 50 umfassen die zwischen Piezolagen angeordneten Innenelektroden 51 und 52 eine erste, einen überwiegenden Teil der Querschnittsfläche des Piezoelements 50 einnehmende Schicht 53, sowie mindestens eine mindestens diejenigen Flächenbereiche der ersten Schicht 53, in denen sich Polungsrisse 54 ausbilden können, überdeckende zweite Schicht 55, die vor dem Stapeln und Sintern der Piezoelemente 50 zusätzlich aufgebracht werden kann.At an in 5a and 5b as well as in detail in 6 illustrated embodiment of a piezoelectric element according to the invention 50 comprise the internal electrodes arranged between piezo layers 51 and 52 a first, a predominant part of the cross-sectional area of the piezoelectric element 50 engaging layer 53 , as well as at least one at least those surface areas of the first layer 53 in which there are poling cracks 54 can cover, covering second layer 55 that precede the stacking and sintering of the piezo elements 50 can be applied additionally.

Dabei überdeckt die zweite Schicht 55 diejenigen Flächenbereiche der ersten Schicht 53 zuzüglich einer aus der 6 ersichtlichen Überlappungszone 56, an denen sich aufgrund einer fehlenden entgegengesetzt gepolten Innenelektrode Polungsrisse 54 ausbilden können, die nicht durch eine Außenelektrode 60 oder 61 überbrückt werden können; unabhängig davon, ob der Polungsriss 54 nach außen tritt, oder ob er durch die jeweilige Außenelektrode 60 oder 61 überbrückt wird.This covers the second layer 55 those surface areas of the first layer 53 plus one from the 6 apparent overlapping zone 56 in which polarity cracks occur due to a lack of oppositely poled inner electrode 54 can not form through an outer electrode 60 or 61 can be bridged; regardless of whether the poling crack 54 goes outside, or whether it passes through the respective outer electrode 60 or 61 is bridged.

Wichtig ist hervorzuheben, dass die in 5a und 5b dargestellte Geometrie des Querschnitts und der von den Innenelektroden 51 oder 52 überdeckten Bereiche grundsätzlich beliebig wählbar ist, wobei die Geometrien zwischen den hier dargestellten Extremen liegen können. Üblicherweise wird die Geometrie der von den Innenelektroden 51 und 52 überdeckten Bereiche an allen Innenelektroden 51 und 52 der Piezoelemente 50 einheitlich gewählt. Denkbar ist aber auch, verschiedene Geometrien zu mischen, mit oder ohne Zuordnung der einzelnen Geometrien zur Polung der Innenelektroden 51 oder 52.It is important to emphasize that the in 5a and 5b illustrated geometry of the cross section and of the internal electrodes 51 or 52 covered areas in principle is arbitrary, the geometries may be between the extremes shown here. Usually, the geometry of the internal electrodes 51 and 52 covered areas on all internal electrodes 51 and 52 the piezo elements 50 chosen uniformly. It is also conceivable to mix different geometries, with or without assignment of the individual geometries for polarity of the internal electrodes 51 or 52 ,

Beim Material der zweiten Metallschicht 55 handelt es sich dabei vorzugsweise um ein anderes, als das Material der die eigentliche Innenelektrode 51 und 52 bildenden ersten Schicht 53. Das Material der zweiten Schicht 55 ist so zu wählen, dass sich beim Sintern deren Haftung an der Piezokeramik der Piezolagen im Piezoelement 50 stärker ausbildet, als die Haftung an der die ursprüngliche Innenelektrode bildenden ersten Schicht 53. Bei einer beispielsweise aus Ag-Pd ausgebildeten Innenelektrode 51 und 52 kann die zweite Schicht 55 beispielsweise aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung bestehen.For the material of the second metal layer 55 this is preferably a different material than the actual inner electrode 51 and 52 forming the first layer 53 , The material of the second layer 55 is to be chosen so that during sintering their adhesion to the piezoceramic of the piezoelectric layers in the piezoelectric element 50 Forming stronger than the adhesion to the original inner electrode forming the first layer 53 , In an example formed from Ag-Pd inner electrode 51 and 52 can the second layer 55 for example, platinum or a platinum-containing alloy.

Da in jenem Umfangsbereich der Piezoelemente 50, der von einer Außenelektrode überdeckt ist, ein Polungsriss 54 durch die Außenelektrode 60 oder 61 quasi kurzgeschlossen wird, ist es denkbar, den unterhalb einer Außenelektrode 60 oder 61 liegenden Bereich der zweiten Schicht 53 zumindest teilweise auszusparen (vgl. 5a). Ohne diese Aussparung ergibt sich eine Geometrie der zweiten Schicht 53 wie in 5b dargestellt.As in that peripheral region of the piezo elements 50 , which is covered by an outer electrode, a poling crack 54 through the outer electrode 60 or 61 is quasi shorted, it is conceivable that below an outer electrode 60 or 61 lying area of the second layer 53 to at least partially exclude (cf. 5a ). Without this recess results in a geometry of the second layer 53 as in 5b shown.

Kommt es nun zu einem Polungsriss 54 im dargestellten kritischen Bereich, so reißt bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement 50 die Innenelektrode 51, 52 zwischen der ersten 53 und der zweiten Schicht 55, da diese schlechter aneinander haften, als jede der ersten Schichten 53 an der benachbarten Piezokeramik der Piezolagen. Da die zweite Schicht 55 aber mindestens etwas mehr als nur den Bereich des Polungsrisses 54 überdeckt, bleibt der elektrische Kontakt zwischen den beiden Schichten 53 und 55 dennoch bestehen. Der Polungsriss 54 ist dann, wie in der 6 dargestellt, auf beiden Seiten mit einer Schicht 53, 55 ausgekleidet, wobei die beiden Metallschichten 53, 55 elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind, und somit das gleiche elektrische Potenzial aufweisen.Now it comes to a Polungsriss 54 in the illustrated critical range, so ruptures in a piezoelectric element according to the invention 50 the inner electrode 51 . 52 between the first 53 and the second layer 55 because they adhere worse than any of the first layers 53 on the adjacent piezoceramic of the piezo layers. Because the second layer 55 but at least a bit more than just the poling crack 54 covered, the electrical contact between the two layers remains 53 and 55 nevertheless exist. The Polungsriss 54 is then, as in the 6 shown, on both sides with a layer 53 . 55 lined, with the two metal layers 53 . 55 are electrically shorted together, and thus have the same electrical potential.

Im Polungsriss 54 wird sich nun bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement 50 kein elektrisches Feld mehr ausbilden und das elektrische Feld in der Piezokeramik der zum Polungsriss 54 benachbarten Piezolage bleibt vom Polungsriss 54 nahezu unbeeinflusst.In polish crack 54 will now be in a piezoelectric element according to the invention 50 form no electric field more and the electric field in the piezoceramic to Polungsriss 54 adjacent piezoelectric layer remains from Polungsriss 54 almost unaffected.

Um eine über den Querschnitt des Piezoelements 50 einheitliche Dicke der jeweils eine zweite Schicht 55 umfassenden Innenelektroden 51 und 52 des erfindungsgemäßen Piezoelements 50 zu erreichen, kann zusätzlich zu der zweiten Schicht 55 in den von dieser nicht überdeckten, von der Innenelektrode 52, 52 eingenommenen Querschnittsbereichen eine zusätzliche Metallschicht gleicher Dicke aufgebracht werden, die aus dem gleichen Material wie die ursprüngliche Innenelektrode 51, 52 besteht. Dadurch werden Eigenspannungen vermieden, die ansonsten beim Sintern der Piezoelemente 50 aufgrund der inhomogenen Dicke der Innenelektroden 51, 52 auftreten würden. Ebenso ist denkbar, jeweils die gesamte Innenelektrode 51, 52 mit einer zweiten Schicht 55 zu versehen.To one over the cross-section of the piezo element 50 uniform thickness of each a second layer 55 comprehensive internal electrodes 51 and 52 of the piezoelectric element according to the invention 50 Achieve, in addition to the second layer 55 in the uncovered by this, of the inner electrode 52 . 52 taken an added metal layer of the same thickness, which are made of the same material as the original inner electrode 51 . 52 consists. As a result, residual stresses are avoided, which otherwise during sintering of the piezo elements 50 due to the inhomogeneous thickness of the internal electrodes 51 . 52 would occur. It is also conceivable, in each case the entire inner electrode 51 . 52 with a second layer 55 to provide.

Claims

Piezoelectric actuator ( 2 ), comprising a plurality of stacked piezoelectric elements ( 3 ) with piezo layers, between each of which an inner electrode ( 8th . 9 ) is in the layer structure of alternating polarity, as well as on two opposite side surfaces arranged outer electrodes ( 6a . 7a ), via which the internal electrodes ( 8th . 9 ) are supplied with an electrical charge, characterized in that the respective inner electrode ( 51 . 52 ) a first, a part of the cross-sectional area of the piezoelectric element ( 50 ) occupying conductive layer ( 53 ), as well as at least one at least those areas of the first layer ( 53 ), which have no opposite inner electrode ( 50 . 51 ), overlapping second conductive layer ( 55 ).

Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the two electrically conductive layers ( 53 . 55 ) of the internal electrodes ( 51 . 52 ) consist of such materials that they each adhere better to the adjacent piezo layers, as with each other.

Piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the second layer ( 55 ) provided area of the respective inner electrode ( 51 . 52 ) covers at least one area, which is also an overlapping zone ( 56 ) which extends over the recessed area of the opposing oppositely poled inner electrode ( 51 . 52 ) stands out.

Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the first layer ( 53 ) a conventional inner electrode ( 50 . 51 ) from a customary for conventional internal electrodes ( 50 . 51 ) and the material of the second layer ( 55 ) is different than that for the first layer ( 53 ) used material.

Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that parts of below an outer electrode ( 60 . 61 ) of the second layer ( 55 ) are omitted.

Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that on those surface regions of the first layer ( 53 ), not from the second layer ( 55 ), an additional layer of the same thickness as the second layer ( 55 ) is arranged.

Piezoelectric actuator according to claim 6, characterized in that the additional layer of the same material as the first layer ( 53 ) consists.

Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layers ( 53 . 55 ) are designed as metal layers.

Piezoelectric actuator according to claim 8, characterized in that the first layer ( 53 ) consists of Ag-Pd and the second layer ( 55 ) consists of platinum or a platinum-containing alloy.

Piezo injector, comprising a holding body and arranged in the holding body, a head and a foot part and arranged between the head and foot part a plurality of stacked piezo elements ( 3 ) comprehensive, with a nozzle needle operatively connected piezoelectric actuator characterized by piezoelectric elements ( 50 ) according to any one of the preceding claims.